團(tuán)隊(duì)介紹

武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院絕緣與過電壓科研團(tuán)隊(duì)，由周文俊教授帶領(lǐng)的教授2名，講師1名，外籍特聘教授2名，在讀博士生和碩士生共20余人組成。課題組以電力系統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)際問題為主要研究對象，建有環(huán)保絕緣氣體實(shí)驗(yàn)室，在研國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃2項(xiàng)，國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，企事業(yè)項(xiàng)目多項(xiàng)。

團(tuán)隊(duì)研究內(nèi)容主要涉及：1)新型環(huán)保絕緣氣體的絕緣特性與氣固材料相容性；2)電力電纜在線監(jiān)測與狀態(tài)評估；3) GIS絕緣缺陷故障診斷；4)干冰清污技術(shù)研究；5)雷電防護(hù)研究等。

近年來，獲得省部級科技進(jìn)步獎19項(xiàng)，南方電網(wǎng)公司和國家電網(wǎng)公司科技進(jìn)步獎20余項(xiàng)。

周文俊

周文俊，1959年生，工學(xué)博士，二級教授，博士生導(dǎo)師，IEEE高級會員，享受國務(wù)院政府特殊津貼。1990年于武漢水利電力學(xué)院獲高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位。1999年8月—11月在瑞典Chalmers大學(xué)做訪問學(xué)者。

中國電機(jī)工程學(xué)會高電壓專業(yè)委員會委員，中國電工技術(shù)學(xué)會電工測試專委會副主任委員，電力行業(yè)過電壓與絕緣配合標(biāo)委會委員，武漢大學(xué)十大杰出青年，武漢大學(xué)師德標(biāo)兵。

主要從事防雷接地、高電壓絕緣與測試、氣體絕緣材料等方面研究。近年來主編出版了DL/T 887-2004《桿塔工頻接地電阻測量》，Q/GDW 413-2010《電力系統(tǒng)二次設(shè)備SPD防雷技術(shù)規(guī)范》，主編《電氣設(shè)備實(shí)用手冊》、《微電子設(shè)備防雷》。在IEEE、中國電機(jī)工程學(xué)報、高電壓技術(shù)等刊物上發(fā)表論文150余篇。

鄭宇

鄭宇，1992年生，博士研究生。主要研究方向?yàn)镃4F7N/CO2混合氣體的放電規(guī)律、基于SF6氣體分解產(chǎn)物的GIS潛在絕緣缺陷診斷。參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃1項(xiàng)，企事業(yè)項(xiàng)目3項(xiàng)。已發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文19篇，其中SCI/EI檢索論文14篇，已授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)?！禞ournal of Physics D: Applied Physics》期刊審稿人。

導(dǎo)語

C4F7N/CO2混合氣體是一種有潛力替代SF6的絕緣氣體，為了合理地進(jìn)行電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)，需要研究C4F7N/CO2混合氣體的放電規(guī)律?，F(xiàn)有研究較少關(guān)注溫度的影響，該文建立考慮溫度時C4F7N/CO2混合氣體的工頻放電場強(qiáng)計(jì)算模型，開展不同溫度下C4F7N/CO2混合氣體的工頻放電試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度低于C4F7N/CO2混合氣體的液化溫度時，絕緣強(qiáng)度出現(xiàn)明顯降低；當(dāng)溫度高于其液化溫度時，溫度對絕緣強(qiáng)度的影響可以忽略。最后分析了C4F7N/CO2混合氣體的混合比例、氣壓及最低使用溫度等實(shí)用參數(shù)。

研究背景

C4F7N/CO2混合氣體具有較低的溫室效應(yīng)、優(yōu)良的絕緣性能和較低的液化溫度，作為高壓電氣設(shè)備中SF6 氣體的替代氣體得到了廣泛關(guān)注。為了科學(xué)合理地進(jìn)行環(huán)保電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)，需要研究其絕緣強(qiáng)度受多種因素影響的規(guī)律。

因季節(jié)變換、日夜溫差等氣候或天氣條件，設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中，會遇到不同的溫度環(huán)境，因此溫度是影響氣體絕緣強(qiáng)度的重要因素。但目前國內(nèi)外對C4F7N/CO2混合氣體的絕緣強(qiáng)度研究未考慮環(huán)境溫度的影響，本文報道了考慮溫度對C4F7N/CO2混合氣體絕緣強(qiáng)度的影響時的研究成果。

主要內(nèi)容

1 考慮溫度影響時C4F7N/CO2混合氣體放電場強(qiáng)計(jì)算

圖1

引入溫度影響時分兩種情況，一是溫度高于C4F7N/CO2混合氣體的液化溫度，此時約化凈電離系數(shù)不受溫度影響，因此其放電場強(qiáng)隨溫度基本保持不變；另一種情況是溫度低于C4F7N/CO2混合氣體的液化溫度，此時混合比例和分子數(shù)密度均會降低，導(dǎo)致放電場強(qiáng)隨溫度降低而降低。

利用C4F7N氣體的飽和蒸氣壓曲線和理想氣體狀態(tài)方程，計(jì)算得到了任意溫度下C4F7N/CO2的混合比例和分子數(shù)密度，再結(jié)合公式（3）計(jì)算了放電場強(qiáng)。典型混合比例9%和氣壓0.7 MPa和0.6 MPa（均指溫度20℃時的氣壓）下的計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2

采用半球頭棒板電極進(jìn)行工頻放電驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)前，計(jì)算了該電極下的擊穿電壓，計(jì)算流程圖如圖3。(E/p)c,M為C4F7N/CO2的臨界約化電場，β為其凈電離系數(shù)對電場的導(dǎo)數(shù)，Ec為臨界電場，K0為式（1）等號左邊的積分值。

圖3

2 不同溫度下C4F7N/CO2混合氣體的工頻放電試驗(yàn)

搭建了可以調(diào)控氣體溫度的放電試驗(yàn)裝置，示意圖如圖4。該裝置將220 kV GIS試驗(yàn)段放置在高低溫箱內(nèi)，通過高低溫箱控制溫度，可模擬不同溫度環(huán)境。在GIS試驗(yàn)段內(nèi)放置溫度傳感器，監(jiān)測氣體溫度。

圖4

試驗(yàn)結(jié)果如圖5，擊穿電壓出現(xiàn)下降時對應(yīng)的溫度與理論計(jì)算值一致。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，如圖6，可見不同溫度下的試驗(yàn)值與計(jì)算值基本一致，驗(yàn)證了計(jì)算模型的有效性。

圖5

圖6

利用模型計(jì)算任意混合比例、氣壓和溫度下C4F7N/CO2的放電場強(qiáng)，可以得到C4F7N/CO2的放電規(guī)律，顯著降低試驗(yàn)工作量，提升電氣設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)的效率。

3 C4F7N/CO2混合氣體的比例/氣壓/最低使用溫度等參數(shù)分析

進(jìn)一步計(jì)算了不同混合比例和氣壓下C4F7N/CO2的放電場強(qiáng)，如圖7。和0.5 MPa SF6氣體進(jìn)行了對比，可以得到與0.5 MPa SF6氣體具備相同絕緣強(qiáng)度的C4F7N/CO2的混合比例和氣壓參數(shù)，以及對應(yīng)的液化溫度，如圖8。

實(shí)際GIS設(shè)備采用的SF6氣壓通常在0.5 MPa附近，本研究得到的C4F7N/CO2的參數(shù)可為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

圖7

圖8

展望

本文主要關(guān)注了C4F7N/CO2混合氣體液化前后氣體間隙的絕緣強(qiáng)度變化，而在實(shí)際設(shè)備中若因氣體液化后積液于盆式絕緣子表面，對絕緣子沿面絕緣特性的影響不可忽視。C4F7N/CO2混合氣體液化前后溫度對絕緣子沿面放電特性的影響，將是后續(xù)研究需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

引用本文

鄭宇, 周文俊, 喻劍輝, 李涵, 馬晨曦. 溫度對C4F7N/CO2混合氣體工頻放電場強(qiáng)的影響規(guī)律[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(1): 52-61. Zheng Yu, Zhou Wenjun , Li Han, Ma Chenxi. Influence of Temperature on Power Frequency Discharge Field Intensity of C4F7N/CO2 Mixed Gas. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 52-61.